汽车制造用碳纤维材料的优势、面临的挑战及诸多创新技术

摘要

碳纤维材料因其独特性能在汽车制造中逐渐普及，但高成本、长周期、设计难度和回收困难等挑战限制了其应用。为应对这些挑战，业界正积极开发创新技术，如改性沥青制备、HP-RTM成型技术、快速铺层及3D打印技术等，以降低成本、缩短周期、优化设计和工艺，并探索碳纤维回收技术。这些技术的发展为碳纤维在汽车产业的广泛应用奠定了基础，预示着汽车产业的技术革新。

正文

碳纤维材料作为兼具轻量化、安全性、舒适度和可靠性等优异性能的轻量化材料，在汽车车体及零部件中逐步得到广泛应用。

※比强度高，是最佳轻质高强车体材料；

※轴向强度、模量高，无蠕变，可制作传动轴；

※正面碰撞时成无数细小碎片，能吸收大量的撞击能（4倍于钢结构），具有高安全性；

※兼备纺织纤维的柔软性，可加工性强；

※在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性好寿命长且维修费用低；

※冷热膨胀系数小，极端气候条件下尺寸稳定性高；

※活性碳纤维超级电容器可提高能量密度又可降低成本，适用于电动车制动；

※复合材料容易成型，制得满足空气动力学原理及美观需求的外形曲面表皮光滑美观，制造车身可以省去高成本、繁琐的涂装工艺；

※可将不同零件一体成型，便于汽车结构的模块化、整体化制造。

由上述显而易见，碳纤维材料卓越的性能已甩出其它材料几条大街，如同散落在悬崖下的奇珍异宝，远远能看到，但因太过险峻，想要获取为我所用却又十分不易。

在汽车制造领域，碳纤维材料也是如此，其目前面临的挑战如下：

※成本太高。同样是1公斤材料，钢材需0.8-1美金，铝材需2.4-2.6美金，树脂需5-15美金，碳纤维则高达20-30美金，几乎是钢材的20倍。 

※生产循环周期长，加工成本高。传统金属冲压每个部件加工时间平均为60s，而碳纤维材料和热固性树脂的固化交联时间达数小时。 

※设计及工艺开发难度大。对于碳纤维材料而言，铺层数量、角度、层间结合、零部件集成方式都需要充分考虑，同时，由于应力集中，材料连接部位力学分布、连接位置及强度均需复杂的设计来确保考虑周全。

※ 材料回收困难。由于汽车报废零部件基本上需要回收再利用，但热固性树脂碳纤维材料不溶不熔，很难做到回收再使用。

碳纤维应对多重挑战提出很多创新技术。

1、针对碳纤维生产成本太高这一问题，目前业内分别采用了改性沥青、木质素制备、聚烯烃制备、高强PANCF原丝、节能加工能源等方面技术来降低成本。

日本三菱公司采用裂解轮胎冷凝物为原料制备优质沥青，规模化生产廉价高性能沥青基碳纤维及纳米碳管。

美国橡树岭国家实验室从纸浆废液中提取木质素，经过熔纺和碳化合成每公斤低至4-5美金的低成本碳纤维。陶氏化学将聚乙烯等纤维在无氧状态碳化后，将碳纤维平面排列或编织成片，用树脂加固后制成碳纤维材料，成本降低了一半。

东丽公司采用高与超高分子量混合聚合体，用温度致变及力致变凝胶化纺丝方法纺丝，创新工艺可提高纺速百倍以上，制备了高强、高模且低成本的PANCF原丝。

美国ORNL用新型微波等离子源碳化技术高速制备低成本碳纤维；宝马利用成本仅3美分/kwh水力发电能源制碳纤维，成本降低到20%。

2、为缩短生产循环周期，当前有高压树脂传递模塑成型技术（HP-RTM）、热塑性基体材料预浸料技术及短周期RTM工艺。

宝马与西格里合作开发新型环氧树脂，固化时间仅为2min和5min，通过采用压力高达2900psi（203kg/cm2），注射速率为200g/s的HP-RTM技术，树脂系统、工艺和模具设计正确组合，实现了“一分钟循环周期”。

通用汽车公司与帝人公司联合采用短时间可进行交联或固化的热塑性基体材料预浸料复合材料加工技术。

戴姆勒公司和东丽工业采用“短周期RTM”工艺，也大幅缩短了碳纤维材料循环周期。 

3、在优化材料设计及工艺开发方面，目前行业内采用了SMC成型加工技术、快速铺层技术、3D打印技术、碳纤维连接技术、模块化制造创新技术。

戴姆勒公司和克莱斯勒公司通过重叠加料，将碳纤维和玻纤SMC材料技术相结合，零件数量减少，重量减轻的同时刚度提高22%。

在快速铺层技术方面，目前有一种三维预成型创新技术，这是为层压复合材料生产织物层的新方法，采用类似尼龙搭扣的形式在Z轴方向以钩-环锁扣将相邻织物层进行连接。与原来复杂、耗时、需劳动密集型手工铺层并且低强度高成本的Z-pins嵌入全厚度缝合三维预成型技术不同的是，这种新型钩-环搭接的“互锁型”技术可进行自动化操作更方便快捷，巡回周期低至90s，其撕裂强度可提高近1倍，耐压强度提升20%，剪切强度提高15%、冲击强度提升近1倍。直接成产成本降到一半，间接成本也低至原来的三分之一。

美国橡树岭国家实验室用熔融沉积3D打印技术将碳素纤维颗粒打印为一体式汽车底盘。刚度提高了5-7倍且强度是原来的3倍，提升汽车零部件性能的同时大幅减少了加工时间。在碳纤维连接技术上，目前有集散板熔融、震动熔融、超声波熔融一体加热、加压连接法。通过一体化加工，增加结合部位碳纤维体积分数，提高了强度避免了开裂。在模块化制造方面，采用自动化加工方法，将多个金属部件转变为模块化复合材料部件，车身零部件数量降至1/10。既减重又缩短了生产循环周期。

此外，我国也研发出碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术，中科院宁波材料所在复合材料体系、设计技术、热压成型工艺、液态成型工艺、连接技术以及关键装备等方面都取得重要成果。

4、为解决碳纤维材料难以回收的问题，目前有碳纤维材料碎料回用技术和碳纤维溶出回用技术。

宝马用将废弃的航天工业碳纤维部件切碎后，重新制成碳纤维材料用于汽车零部件制造。英国诺丁汉大学应用超临界流体溶解性，用低成本溶剂溶解碳纤维材料中的环氧树脂，可实现碳纤维材料的完全提取。 对于汽车碳纤维零部件制造领域的难题，各大公司迎难而上纷纷研发出创新技术，为碳纤维材料在汽车零部件领域的应用打下坚实基础，相信未来碳纤维材料将给汽车产业带来新一轮技术革新，盖世汽车将持续关注。

文章来源：盖世汽车